Modélisation et simulation de la production de suies dans les conditions de moteurs aéronautiques

Modelling and simulation of soot production under aero-engine conditions

• Auteur / Autrice : Alexandre Coudray
• Direction : Jean-Christophe Jouhaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 03/04/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-2025)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Yon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Jouhaud, Benedetta Giulia Franzelli, Jeroen Van Oijen, Epaminondas Mastorakos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benedetta Giulia Franzelli, Jeroen Van Oijen
• DOI : 10.70675/aca2ac5fz94ffz49a3za415z4c8a1f623e63

Mots clés

Mots clés contrôlés

Suie

Composés aromatiques polycycliques

Polluants atmosphériques

Avions -- Moteurs -- Gaz d'échappement

Mots clés libres

HAP

Suies

Polluants

PAH

Soots

Pollutants

Résumé

Cette thèse présente une méthodologie de prédiction des suies adaptée aux géométries industrielles complexes en intégrant une Chimie Réduite Analytique (ARC) avec une description précise des hydrocarbones aromatiques polycycliques (PAH) et le modèle de Suivi Lagrangien des Suies (LST). Compte tenu du coût de calcul de l'inclusion des PAH, un modèle hybride, nommé PAHARC, est proposé, combinant un schéma réduit compact pour résoudre la flamme, avec accès aux PAH via une approche de tabulation.L’approche LST est améliorée par l’implémentation d’un nouveau modèle de surface, passant d'une description volume-surface à une description basée sur les agrégats. En outre, les modèles de collision ont été actualisés avec les travaux récents sur les agrégats fractals, et un modèle de maturité des suies est introduit pour suivre le rapport hydrogène-carbone, indicateur de la composition chimique.La méthodologie a été validée sur des flammes laminaires du workshop International Sooting Flame (ISF). Une forte concordance a été observée pour les prédictions des espèces et des suies, offrant des perspectives sur la morphologie des suies. Pour approfondir l'analyse, des études ont été réalisées sur la flamme laminaire de Gülder, comparant divers modèles de suies dans AVBP et en évaluant la chimie réduite et les configurations numériques. Les résultats montrent que le nouveau modèle de surface améliore la représentation de la morphologie des suies, bien que des divergences subsistent quant à la fraction volumique de suie. Le modèle de maturité des suies montre un fort potentiel pour des prédictions à bas coût.La méthodologie a ensuite été appliquée au brûleur de Cambridge avec le code AVBP, un brûleur éthylène-air non-prémélangé avec un bluff-body. Le modèle PAHARC a été testé, montrant quelques divergences mais offrant une baisse du coût de calcul significative, ce qui le rend adapté à des applications futures. Le modèle d'agrégat a également résolu les problèmes rencontrés dans les calculs turbulents antérieurs. Sur le plan expérimental, les prédictions de localisation des suies sont qualitativement correctes, bien que la fraction volumique de suie dans la flamme soit surestimée d’un ordre de grandeur par rapport aux mesures par prélèvemen . Les comparaisons avec la LII sont compliquées en raison de la surestimation par LST, mais le modèle de maturité suggère que dans la zone de mesure de la LII, les suies pourraient être immatures, soulevant des questions sur la validité de la LII. À l'échappement, les prédictions de fraction volumique de suie correspondent bien aux expériences mais avec des caractéristiques différentes : le LST prédit des agrégats plus gros mais moins nombreux tandis que les expériences montrent de nombreux petits agrégats. Des mesures par prélèvement à divers endroits et des comparaisons numériques confirment que LST surestime la taille et la quantité des agrégats dans la flamme, bien que les formes de distribution des tailles de particules (PaSD) correspondent aux tendances expérimentales.Enfin, le chambre de combustion aéronautique 4SI a été calculé en utilisant une ARC pour le kérosène avec PAH. L’approche PAHARC a été testé et malgré quelques divergences les résultats sont satisfaisants. Bien qu’aucune donnée expérimentale soit disponible, la modélisation des suies dans le 4SI a fourni des informations précieuses sur la production de suie aux différentes étapes de combustion. Les coûts de calcul supplémentaire pour la modélisation des suies sont restés minimes, démontrant l'efficacité du modèle hybride et du LST dans les simulations complexes.En conclusion, cette thèse propose un cadre solide pour la modélisation des flammes laminaires avec suies et présente un fort potentiel pour les cas turbulents. Ces avancées fournissent une base pour une modélisation efficace de la population de suies dans AVBP à moindre coût.

This thesis presents a soot prediction methodology tailored for complex industrial geometries by integrating Analytically Reduced Chemistry (ARC) with a polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) description and the Lagrangian Soot Tracking (LST) model. Given the computational cost of including PAH, a hybrid model, PAHARC, is proposed, coupling a compact reduced scheme to solve the flame with PAH accessed via tabulation.The LST approach is refined with a new surface model that shifts from surface-volume to aggregate-based descriptions. Additionally, collision models are updated with recent work on fractal aggregates, and a soot maturity model is introduced to track the hydrogen-to-carbon ratio, indicating chemical composition.Method validation used laminar flames from the International Sooting Flame (ISF) workshop. Strong agreement was observed for both species and soot predictions, offering insights into soot morphology. To further investigate, studies on Gülder’s laminar coflow diffusion flame were conducted, comparing AVBP’s various soot models and evaluating the reduced chemistry and numerical setups. Results showed that the new surface model improves soot morphology representation, though discrepancies in soot volume fraction persist. Despite needing further validation, the soot maturity model shows strong potential for low-cost predictions.The methodology was then applied with AVBP to the Cambridge burner, a non-premixed ethylene-air combustor with a bluff body. Particle Image Velocimetry (PIV) validation in non-reactive cases confirmed accurate flow reproduction. The PAHARC model was tested in reactive cases, yielding some discrepancies but offering major computational savings, making it suitable for further applications. The aggregate model mitigated prior issues in turbulent computations. Experimentally, soot location predictions were qualitatively accurate, although soot volume fraction within the flame was overestimated by an order of magnitude compared to sampling. LII comparisons were infeasible due to the LST’s overprediction, but the maturity model suggested that within the LII window, soot may be immature, raising questions on LII’s applicability. At the exhaust, soot volume fraction predictions aligned well with experiments but with differing characteristics: the LST predicted larger but less aggregates whereas experiments predict many small aggregates. Sampling at various locations and numerical comparisons confirmed that LST overpredicts aggregate size and count within the flame, though Particle Size Distribution (PaSD) shapes match experimental trend in flams.Lastly, the 4SI aeronautical combustor was computed using a kerosene ARC with PAH. The PAHARC approach performed well, with some discrepancies, and supports future applications. Although experimental data was unavailable, the combustor’s soot modeling provided valuable insights on soot production at various stages. Additional computational costs for soot modeling were minimal, demonstrating the hybrid model’s efficiency in complex simulations.In summary, the thesis presents an updated framework for laminar sooting flames, with strong potential for turbulent cases. The advancements provide a foundation for efficient soot population modeling in AVBP at lower cost.